Ограничитель напряжения с отрицательным участком динамического сопротивления


 


Владельцы патента RU 2484553:

ООО "ПСиЭл" (RU)

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к полупроводниковым ограничителям напряжения, и может быть использовано при защите электронных устройств от перенапряжений. Сущность изобретения: в ограничителе напряжения с отрицательным участком динамического сопротивления, содержащем многослойную кремниевую структуру, слои которой образуют последовательно расположенные р-n переходы, и контакты, структура содержит не менее пяти слоев, в которых время жизни носителей имеет значение из интервала τ=0,01-1 мксек, концентрация легирующей примеси в слоях находится в интервале 1·1015-1·1020 см-3, а слои выполнены таким образом, что для по крайней мере одного слоя структуры соблюдено условие hi>√Diτi, где hi - толщина указанного слоя, Di - коэффициент диффузии носителей заряда в этом слое, τi - время жизни носителей заряда в этом слое, и по крайней мере для одного слоя структуры соблюдено условие hj<√Djτj, где hj - толщина этого слоя, Dj - коэффициент диффузии носителей заряда в этом слое, τj - время жизни носителей заряда в этом слое. Техническим результатом изобретения является создание ограничителя напряжения с отрицательным участком динамического сопротивления, а также повышение максимально допустимой рассеиваемой мощности при фиксированном напряжении ограничения. 7 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к полупроводниковым ограничителям напряжения. и может быть использовано при защите электронных устройств от перенапряжений.

Известен высоковольтный ограничитель напряжения [1], выполненный из N одинаковых последовательно включенных низковольтных р-n-р или n-p-n симметричных ограничителей напряжения, количество которых (N) определяется из соотношения, связывающего минимальную величину пробивного напряжения ограничителя, динамическое сопротивление одноэлементного ограничителя с минимальным пробивным напряжением, максимально допустимое значение амплитуды повторяющегося импульса обратного тока, который может протекать через ограничитель при его работе, и максимально допустимое значение величины напряжения, которое может возникать на ограничителе напряжения при протекании через него импульсного обратного тока с максимальным значением амплитуды. указанным выше, при этом минимальная величина пробивного напряжения каждого из N одинаковых последовательно включенных ограничителей обратно пропорциональна количеству ограничителей и прямо пропорциональна минимальной величине пробивного напряжения ограничителя. Этот ограничитель напряжения имеет высокое рабочее напряжения и способен пропускать импульсный ток в сотни ампер без существенного напряжения на нем, что не способны обеспечить другие ограничители. Однако толщина р и n слоев этого ограничителя велика, что ограничивает его функциональные возможности

Также известен высоковольтный полупроводниковый ограничитель напряжения [2], содержащий кремниевую подложку с последовательно сформированным на ее поверхности, по крайней мере, одним изолирующим слоем, обеспечивающим изоляцию подложки, и слоем толщиной 0,1-10 мкм из поликристаллического кремнийсодержащего материала, в котором выполнены чередующиеся, последовательно соединенные области р-n+-р-n+…р или n+-р-n+…n+-р-n+ или р-n+…р-n+ типа проводимости, полученные легированием указанного слоя на всю толщину до концентрации легирующей примеси не менее 1·1016 и 5·1016 см-3 соответственно, в областях р и n+ типа проводимости, к крайним областям подсоединены контакты.

Известный ограничитель напряжения является высоковольтным, но ввиду небольшой высоты эпитаксиального слоя, в котором сформированы р и n области, площадь растекания тока невелика, что приводит к ограничению его использования по мощностным характеристикам для снятия всплесков напряжения.

Техническим результатом заявленного изобретения является создание ограничителя напряжения с отрицательным участком динамического сопротивления, а также повышение максимально допустимой рассеиваемой мощности при фиксированном напряжении ограничения.

Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что в ограничителе напряжения, содержащем многослойную кремниевую структуру, слои которой образуют последовательно расположенные р-n переходы, и контакты, отрицательный участок динамического сопротивления получен тем, что структура содержит не менее пяти слоев, в которых время жизни носителей имеет значение из интервала τ=0,01-1 мкс, концентрация легирующей примеси в слоях находится в интервале 1·1015-1·1020 см-3, а слои выполнены таким образом, что для по крайней мере одного слоя структуры соблюдено условие hi>√Diτi, где hi - толщина указанного слоя, Di - коэффициент диффузии носителей заряда в этом слое, τi - время жизни носителей заряда в этом слое, и по крайней мере для одного слоя структуры соблюдено условие hj<√Dj τj, где hj - толщина этого слоя, Dj - коэффициент диффузии носителей заряда в этом слое, τj - время жизни носителей заряда в этом слое.

Толщины слоев структуры могут быть выбраны из интервала 0,5-100 мкм. Многослойная кремниевая структура может быть получена эпитаксиальным наращиванием и/или с использованием по крайней мере одной операции диффузии.

Необходимое время жизни носителей в слоях структуры может быть получено известными способами, к которым относятся, например, диффузия золота, облучением протонами и/или электронами.

Концентрация легирующей примеси в слоях n-типа проводимости преимущественно находится в интервале 1··1017-1·1019 см-3, а концентрация легирующей примеси в слоях р-типа проводимости преимущественно находится в интервале 1·1015-1·1018 см-3.

Время жизни носителей заряда в различных слоях может отличаться, а может быть одинаково.

Для получения заявленного ограничителя напряжения формируют многослойную кремниевую структуру, слои которой образуют последовательно расположенные р-n переходы, и контакты. Структура содержит не менее пяти слоев и может быть получена различными технологическими способами, с использованием как эпитаксиального наращивания, так и диффузии.

I. Способ получения n-p-n-p-n-…-р-n структур с помощью эпитаксиального наращивания и диффузии.

Берется n-подложка кремния толщиной 300-400 мкм, с удельным сопротивлением 0,001-0,01 Ом·см.

1-й р-слой эпитаксиально наращивается толщиной 10-100 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

2-й n-слой формируется диффузией фосфора.

2-й р-слой формируется эпитаксиальным наращиванием толщиной 9-90 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

Последующие n-слои формируются аналогично второму n-слою.

3-й р-слой наращивается эпитаксиально толщиной 7-70 мкм с удельным сопротивление 0,01-1,00 Ом·см.

Последний р-слой эпитаксиально наращивается толщиной 5-50 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

На 1-й и последний n-слои наносится металлизация для получения контактов.

II. Способ получения n-p-n-p-n-…-р-n структур с помощью эпитаксиального наращивания.

Берется n-подложка кремния толщиной 300-400 мкм, с удельным сопротивлением 0,001-0,01 Ом·см.

1-й р-слой эпитаксиально наращивается толщиной 10-100 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

2-й n-слой эпитаксиально наращивается толщиной 1-10 мкм с удельным сопротивоением 0,01-0,1 Ом·см.

2-й р-слой формируется эпитаксиальным наращиванием толщиной 9-90 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

Последующие n-слои формируются аналогично второму n-слою.

3-й р-слой наращивается эпитаксиально толщиной 7-70 мкм с удельным сопротивление 0,01-1,00 Ом·см.

Последний р-слой эпитаксиально наращивается толщиной 5-50 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

На 1-й и последний n-слои наносится металлизация для получения контактов.

III. Способ получения р-n-р-n-р-…-n-р структур с помощью эпитаксиального наращивания и диффузии.

Берется n-подложка кремния толщиной 300-400 мкм, с удельным сопротивлением 0,001-0,01 Ом·см.

1-й n-слой эпитаксиально наращивается толщиной 10-100 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

2-й р-слой формируется диффузией бора или галлия.

2-й n-слой формируется эпитаксиальным наращиванием толщиной 9-90 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

Последующие р-слои формируются аналогично второму р-слою.

3-й n-слой наращивается эпитаксиально толщиной 7-70 мкм с удельным сопротивление 0,01-1,00 Ом·см.

Последний n-слой эпитаксиально наращивается толщиной 5-50 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

На 1-й и последний n-слои наносится металлизация для получения контактов.

IV. Способ получения р-n-р-n-р-…-n-р структур с помощью эпитаксиального наращивания.

Берется р-подложка кремния толщиной 300-400 мкм, с удельным сопротивлением 0,001-0,01 Ом·см.

1-й n-слой эпитаксиально наращивается толщиной 10-100 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

2-й р-слой эпитаксиально наращивается толщиной 1-10 мкм с удельным сопротивоением 0,01-0.1 Ом·см.

2-й n-слой формируется эпитаксиальным наращиванием толщиной 9-90 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

Последующие р-слои формируются аналогично второму р-слою.

3-й р-слой наращивается эпитаксиально толщиной 7-70 мкм с удельным сопротивление 0,01-1,00 Ом·см.

Последний р-слой эпитаксиально наращивается толщиной 5-50 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

На 1-й и последний р-слои наносится металлизация для получения контактов.

Для обеспечения отрицательного участка динамического сопротивления в полученной структуре время жизни носителей заряда должно иметь значение из интервала τ=0,01-1 мкс, что обеспечено проведением процесса диффузии золота в структуру или облучением структуры протонами и/или электронами. При этом слои должны быть выполнены таким образом, чтобы для, по крайней мере, одного слоя структуры соблюдено условие hi>√Diτi, где hi - толщина указанного слоя, Di - коэффициент диффузии носителей заряда в этом слое, τi - время жизни носителей заряда в этом слое, и по крайней мере для одного слоя структуры соблюдено условие hj<√Djτj, где hj - толщина этого слоя, Dj - коэффициент диффузии носителей заряда в этом слое, τj - время жизни носителей заряда в этом слое.

Примеры реализации.

Были изготовлены 9-слойные n-p-n-p-n-p-n-p-n опытные образцы (образцы изготовлены по варианту - I) со следующими параметрами:

1-й р-слой - толщина 17±2 мкм, удельное сопротивление 0,10 Ом·см.

2, 3, 4, 5, n-слои получены диффузией фосфора глубиной 3 мкм с поверхностной концентрацией 10 (Е20) см-3

2-й р-слой - толщина 13±2 мкм, удельное сопротивление 0,01 Ом·см;

3-й р-слой - толщина 10±2 мкм, удельное сопротивоение 0,01 Ом·см;

4-й р-слой - толщина 7±2 мкм, удельное сопротивление 0,01 Ом·см.

Металлизация получена напылением Ti или Ni или Ag.

С помощью меза-травления структуры разделены на образцы размерами 2,5×2,5 мм.

С помощью электронного облучения энергией >6 МэВ, дозой 10 (E15) уменьшены значения времени жизни для обеспечения отрицательного участка динамического сопротивления в ограничителе напряжения:

а - без отжига:

пробивное напряжение Uпроб = +120 В, -110 В

напряжение ограничения Uогр при токе 150 А = +175 В, - 165 В;

б - при термообработке 400°C в течение 10 мин получено:

Uпроб = +120 В, -110 В;

Uогр при токе 150 А = +155 В, -145 В;

в - при термообработке 400°C в течение 40 мин получено:

Uпроб = +120 В, -110 В;

Uогр при токе 150 А = +135 В, -125 В.

Наблюдается четкая зависимость соблюдения неравенства hi>√Diτi, и hj<√Dj τj от времени термообработки (т.е. от времени жизни носителей заряда в структуре).

Видно: а - неравенство не выполняется во всех случаях hj<√Dj τj,

б - неравенство выполняется в одном случае hi>√Diτi,

в - неравенство выполняется в двух случаях. hi>√Diτi.

Таким образом, в заявленном ограничителе напряжения получен отрицательный участок динамического сопротивления, что обеспечивает повышение максимально допустимой рассеиваемой мощности при фиксированном напряжении ограничения.

Источники информации

1. RU 2213392 С1, опубл. 27.09.2003.

2. RU 2318271 С2, опубл. 27.02.2008.

1. Ограничитель напряжения с отрицательным участком динамического сопротивления, содержащий многослойную кремниевую структуру, слои которой образуют последовательно расположенные р-n переходы, и контакты, отличающийся тем, что структура содержит не менее пяти слоев, в которых время жизни носителей имеет значение из интервала τ=0,01-1 мкс, концентрация легирующей примеси в слоях находится в интервале 1·1015-1·1020 см-3, а слои выполнены таким образом, что для по крайней мере одного слоя структуры соблюдено условие hi>√Diτi, где hi - толщина указанного слоя, Di - коэффициент диффузии носителей заряда в этом слое, τi - время жизни носителей заряда в этом слое, и по крайней мере для одного слоя структуры соблюдено условие hj>√Djτj, где hj - толщина этого слоя, Dj - коэффициент диффузии носителей заряда в этом слое, τj - время жизни носителей заряда в этом слое.

2. Ограничитель напряжения по п.1, отличающийся тем, что толщины слоев структуры выбраны из интервала 0,5-100 мкм.

3. Ограничитель напряжения по п.1, отличающийся тем, что многослойная кремниевая структура является эпитаксиальной.

4. Ограничитель напряжения по п.1, отличающийся тем, что многослойная кремниевая структура получена с использованием по крайней мере одной операции диффузии.

5. Ограничитель напряжения по п.1, отличающийся тем, что необходимое время жизни носителей в слоях структуры получено диффузией золота.

6. Ограничитель напряжения по п.1, отличающийся тем, что необходимое время жизни носителей в слоях структуры получено облучением протонами и/или электронами.

7. Ограничитель напряжения по п.1, отличающийся тем, что концентрация легирующей примеси в слоях n-типа проводимости находится в интервале 1·1017-1·1019 см-3, а концентрация легирующей примеси в слоях р-типа проводимости находится в интервале 1·1015-1·1018 см-3.

8. Ограничитель напряжения по п.1, отличающийся тем, что время жизни носителей заряда в различных слоях одинаково.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к переключающим устройствам и может быть использовано в электротехнике для замыкания и размыкания электрической цепи переменного тока в заданные промежутки времени.

Изобретение относится к области дискретных полупроводниковых приборов, в частности к блокирующим диодам для солнечных батарей космических аппаратов. .

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в источниках питания полупроводниковых лазеров, мощных полупроводниковых светодиодов, диодов Ганна, системах сверхширокополосной локации.

Изобретение относится к электронным приборам, в частности к полупроводниковым приборам, и может быть использовано для выпрямления переменного тока в радиоаппаратуре, радиоизмерительных приборах и системах.

Изобретение относится к технологическим процессам производства компонентов микроэлектроники и вычислительных схем. .

Изобретение относится к электронным приборам, в частности к полупроводниковым приборам, и может быть использовано для выпрямления переменного тока и преобразования ВЧ-сигнала в постоянное напряжение в источниках питания радиоаппаратуры, радиоизмерительных приборах и системах.

Изобретение относится к электронным приборам, в частности к полупроводниковым приборам, и может быть использовано для выпрямления переменного тока и преобразования ВЧ-сигнала в постоянное напряжение в источниках питания радиоаппаратуры, радиоизмерительных приборах и системах.

Изобретение относится к области силовой промышленной электронной техники. .

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности, к формированию самосовмещенных высоковольтных диодов

Изобретение относится к СВЧ-монолитным интегральным схемам и предназначено для использования в качестве защитных схем, например в устройствах, содержащих малошумящие усилители. Cхема сверхширокополосного ограничителя СВЧ-мощности отражательного типа согласно изобретению построена не как фильтр нижних частот, а представляет собой отрезок копланарной линии передач (либо копланарной линии передач с заземляющей плоскостью), сочлененный с планарными распределенными pin-структурами, включенными встречно-параллельно относительно соответствующих проводников копланарной линии (либо копланарной линии с заземляющей плоскостью). Изобретение обеспечивает возможность повысить значение верхней рабочей частоты и увеличить максимальное значение входной мощности ограничителя. 1 ил.

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов. Мультиэпитаксиальная структура кристалла двухинжекционного высоковольтного гипербыстровосстанавливающегося диода на основе соединений галлия и мышьяка содержит высоколегированную монокристаллическую подложку p+-типа проводимости, с разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующих примесей не менее чем 3·1018 см-3 и толщиной не менее 200 мкм, выполненный на ней эпитаксиальный GaAs слой p-типа проводимости толщиной не менее 5,0 мкм и изменяющейся разностной концентрацией донорной и акцепторной легирующих примесей от концентрации в подложке до значений не более чем , p-n-переходный по типу проводимости эпитаксиальный GaAs i-слой толщиной 5÷100 мкм, содержащий область пространственного заряда и внутрирасположенную мультиэпитаксиальную металлургическую переходную зону, и эпитаксиальный GaAs слой на p-n переходном эпитаксиальном i-слое, выполненный n+-типа проводимости с разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующих примесей в приповерхностном слое не менее чем 1·1017 см-3 и толщиной не менее 0,1 мкм. Изобретение обеспечивает снижение прямого падения напряжения, повышение плотности тока прямого включения и повышение быстродействия. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области импульсной техники. Способ управления электронным ключом включает подачу импульса перенапряжения, который обеспечивает переключение электронного ключа, на развязывающий диод, установленный между электронным ключом и земляной шиной в направлении, блокирующем импульс перенапряжения. При этом напряжение лавинного пробоя развязывающего диода больше амплитуды импульса перенапряжения, одновременно с этим предельный импульсный ток в прямом направлении через развязывающий диод больше рабочего тока электронного ключа. Техническим результатом изобретения является обеспечение приложения импульса перенапряжения к электронному ключу или генератору Маркса с одновременным обеспечением малой индуктивностью цепи замыкания рабочего тока. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники. В диоде с отрицательным дифференциальным сопротивлением согласно изобретению объединены два комплементарных полевых транзистора в единую вертикальную структуру с параллельно расположенными каналами, между которыми образуется электрический переход, при этом исток р-канала расположен напротив стока n-канала, а сток р-канала - напротив истока n-канала. Истоки каналов соединены между собой с помощью проводника и дополнительной области с n+-типом проводимости, на которой расположен исток n-канала, а стоки каналов имеют отдельные выводы. Изобретение позволяет уменьшить размеры, повысить быстродействие и увеличить ток и выходную мощность диода. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к оксиду р-типа, оксидной композиции р-типа, способу получения оксида р-типа, полупроводниковому прибору, аппаратуре воспроизведения изображения и системе. Оксид р-типа является аморфным соединением и представлен следующей композиционной формулой: xAO∙yCu2O, где x обозначает долю молей AO и y обозначает долю молей Cu2O, x и y удовлетворяют следующим условиям: 0≤x<100 и x+y=100 и А является любым одним из Mg, Са, Sr и Ва или смесью, содержащей, по меньшей мере, два элемента, выбранные из группы, состоящей из Mg, Са, Sr и Ва. Оксид р-типа производится при относительно низкой температуре и в реальных условиях и способен проявлять отличные свойства, то есть достаточную удельную электропроводность. 7 н. и 4 з.п. ф-лы, 36 ил., 8 табл., 52 пр.

Изобретение относится к полупроводниковым электронным приборам. В полупроводниковом диоде на полупроводниковой GaAs подложке расположены катодный слой, обедненный слой, барьерный слой, обедненный узкозонный слой, анодный узкозоный слой, анодный слой. Металлизированный катодный контакт с омическим сопротивлением сформирован к катодному слою. Металлизированный анодный контакт с омическим сопротивлением сформирован к анодному слою. На границе анодного слоя и анодного узкозонного слоя и на границе барьерного слоя и обедненного узкозонного слоя сформированы гетеропереходы. Технический результат - снижение обратного тока и увеличение пробивного напряжения диода. 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам. В полупроводниковом конструктивном элементе, имеющем полупроводниковое тело (21) с первой стороной (22), второй стороной (23) и краем (24), внутреннюю зону (27) с основным легированием первого типа проводимости, расположенную между первой стороной (22) и внутренней зоной (27) первую полупроводниковую зону (61) первого типа проводимости с концентрацией легирования, которая выше концентрации легирования внутренней зоны (27), расположенную между второй стороной (23) и внутренней зоной (27) вторую полупроводниковую зону (29) второго типа проводимости, с концентрацией легирования выше концентрации легирования внутренней зоны (27), по меньшей мере один первый краевой скос, который проходит под первым углом (30) к плоскости прохождения перехода от второй полупроводниковой зоны (29) к внутренней зоне (27) по меньшей мере вдоль края (24) второй полупроводниковой зоны (29) и внутренней зоны (27), второй краевой скос со вторым углом (71), величина которого меньше величины первого угла, который проходит вдоль края (24) первой полупроводниковой зоны (61) или скрытой полупроводниковой зоны (41), при этом по меньшей мере одна скрытая полупроводниковая зона (41) второго типа проводимости с концентрацией легирования, которая выше, чем во внутренней зоне (27), предусмотрена между первой полупроводниковой зоной (61) и внутренней зоной (27) и проходит по существу параллельно первой полупроводниковой зоне (61). Изобретение позволяет исключить повышенные пики силы поля в краевой области, возникающие во время процесса выключения полупроводникового конструктивного элемента, а также обеспечивает повышенную воспроизводимость и меньший разброс электрических свойств. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.
Наверх